Logické čipy. Část 2 - Brány

Logické prvky fungují jako nezávislé prvky ve formě mikroobvodů malého stupně integrace a jsou zahrnuty ve formě komponent v mikroobvodech vyššího stupně integrace. Tyto prvky lze spočítat více než tucet.

Nejprve ale budeme mluvit pouze o čtyřech z nich - jedná se o prvky AND, OR, NOT, AND-NOT. Hlavními prvky jsou první tři a prvek AND-NOT je již kombinací prvků AND AND NOT. Tyto prvky lze nazvat „cihly“ digitální technologie. Nejprve musíte zvážit, jaká je logika jejich jednání?

Připomeňme si první část článku o digitálních obvodech. Bylo řečeno, že napětí na vstupu (výstupu) mikroobvodu v rozmezí 0 ... 0,4 V je úroveň logické nuly nebo nízkého napětí. Pokud je napětí v rozmezí 2,4 ... 5,0 V, pak je to úroveň logické jednotky nebo vysoké úrovně napětí.

Provozní stav mikroobvodů řady K155 a dalších mikroobvodů s napájecím napětím 5 V se vyznačuje přesně těmito úrovněmi. Pokud je napětí na výstupu mikroobvodu v rozsahu 0,4 ... 2,4 V (například 1,5 nebo 2,0 V), můžete již přemýšlet o výměně tohoto mikroobvodu.

Praktické rady: abyste se ujistili, že tento mikroobvod je na výstupu vadný, odpojte od něj vstup mikroobvodu (nebo několik vstupů připojených k výstupu tohoto mikroobvodu). Tyto vstupy mohou jednoduše „usadit“ (přetížit) výstupní čip.

Grafické konvence

Grafické symboly jsou obdélník obsahující vstupní a výstupní řádky. Vstupní řádky prvků jsou umístěny vlevo a výstupní řádky vpravo. Totéž platí pro celé listy s obvody: na levé straně jsou všechny signály na vstupu, na pravé straně jsou výstupy. Je to jako řádek v knize - zleva doprava, bude snadněji zapamatovatelné. Uvnitř obdélníku je podmíněný symbol označující funkci vykonanou prvkem.

Logický prvek AND

Začneme uvažováním logických prvků prvkem I.

Obrázek 1. Logický prvek AND

Jeho grafické označení je znázorněno na obrázku 1a. Symbolem funkce And je anglický symbol „&“, který v angličtině nahrazuje unii „a“, protože koneckonců všechno toto „pseudovědy“ bylo vynalezeno v zatracené buržoazii.

Vstupy prvku jsou označeny jako X s indexy 1 a 2 a výstup, jako výstupní funkce, písmenem Y. Je to jednoduché, jako například ve školní matematice, například Y = K * X nebo obecně Y = f (x). Prvek může mít více než dva vstupy, což je omezeno pouze složitostí řešeného problému, ale může existovat pouze jeden výstup.

Logika prvku je následující: vysoké napětí na výstupu Y bude pouze tehdy, když na vstupu X1 a na vstupu X2 bude napětí vysoké úrovně. Pokud má prvek 4 nebo 8 vstupů, musí být splněna uvedená podmínka (vysoká úroveň) na všech vstupech: I-na vstupu 1, I-na vstupu 2, I-na vstupu 3 ... .. A-na vstupu N. Pouze v tomto případě bude výstupem také vysoká úroveň.

Aby bylo snazší porozumět logice činnosti prvku And, je jeho analog ve formě kontaktního obvodu uveden na obrázku 1b. Zde je výstup prvku Y představován lampou HL1. Pokud lampa svítí, pak to odpovídá vysoké úrovni na výstupu prvku I. Často se takové prvky nazývají 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. První číslice označuje počet vstupů.

Jako vstupní signály X1 a X2 se používají běžná tlačítka „zvonku“ bez fixace. Otevřený stav tlačítek je stav nízké úrovně a uzavřený stav je přirozeně vysoký. Schéma jako zdroj energie ukazuje galvanickou baterii. Zatímco tlačítka jsou v otevřeném stavu, lampa samozřejmě nesvítí. Lampa se rozsvítí pouze při současném stisknutí obou tlačítek, tzn. I-SB1, I-SB2.Takové je logické spojení mezi vstupním a výstupním signálem prvku I.

Vizuální znázornění činnosti prvku AND lze získat pohledem na časový diagram znázorněný na obrázku 1c. Nejprve se na vstupu X1 objeví signál vysoké úrovně, ale na výstupu Y se nic nestalo, stále existuje signál nízké úrovně. Na vstupu X2 se signál objeví s určitým zpožděním vzhledem k prvnímu vstupu a na výstupu Y se objeví signál vysoké úrovně.

Když je signál na vstupu X1 nízký, je výstup také nastaven na nízký. Nebo, jinými slovy, signál na vysoké úrovni je držen na výstupu, pokud jsou na obou vstupech signály vysoké úrovně. Totéž lze říci o více vstupních prvcích I: pokud je to 8-I, pak, aby se dosáhlo vysoké úrovně na výstupu, musí se vysoká úroveň držet na všech osmi vstupech najednou.

Nejčastěji se v referenční literatuře uvádí stav výstupu logických prvků v závislosti na vstupních signálech ve formě tabulek pravdy. U uvažovaného prvku 2-I je tabulka pravdy zobrazena na obrázku 1d.

Tabulka je poněkud podobná multiplikační tabulce, pouze menší. Pokud si to pečlivě prostudujete, všimnete si, že vysoká úroveň na výstupu bude pouze tehdy, bude-li na obou vstupech přítomno vysoké napětí nebo, co je stejné, logická jednotka. Mimochodem, srovnání tabulky pravdy s tabulkou multiplikace není zdaleka náhodné: všechny tabulky pravdy elektroniky vědí, jak se říká, srdcem.

Funkci A lze také popsat pomocí algebra logické nebo booleovské algebry. Pro prvek se dvěma vstupy bude vzorec vypadat takto: Y = X1 * X2 nebo jiná forma zápisu Y = X1 ^ X2.

Logický prvek NEBO

Dále se podíváme na NEBO bránu.

Obrázek 2. Logická brána NEBO

Jeho grafické označení je podobné právě zkoumanému prvku AND, kromě toho, že místo symbolu & pro funkci AND je číslo 1 zapsáno uvnitř obdélníku, jak je znázorněno na obrázku 2a. V tomto případě označuje funkci NEBO. Vlevo jsou vstupy X1 a X2, které, stejně jako v případě funkce And, mohou být více a napravo výstup označený písmenem Y.

Ve formě booleovského algebraického vzorce je funkce OR zapsána jako Y = X1 + X2.

Podle tohoto vzorce bude Y pravdivé, když NEBO na vstupu X1, NEBO na vstupu X2, NEBO na obou vstupech bude okamžitě vysoká úroveň.

Kontaktní schéma znázorněné na obrázku 2b pomůže pochopit, co bylo právě řečeno: stisknutí některého z tlačítek (vysoká úroveň) nebo obou tlačítek najednou způsobí, že lampa bude svítit (vysoká úroveň). V tomto případě jsou tlačítky vstupní signály X1 a X2 a světlo je výstupní signál Y. Aby se usnadnilo zapamatování, obrázky 2c a 2d ukazují časový diagram a tabulku pravdivosti: stačí analyzovat činnost zobrazeného kontaktního obvodu se schématem a tabulkou, jako všechny otázky zmizí.

Logický prvek NE, střídač

Jak řekl jeden učitel, v digitální technologii není nic složitějšího než střídač. Možná je to ve skutečnosti.

V algebře logiky není operace nazývána inverze, což v angličtině znamená negaci, to znamená, že úroveň signálu na výstupu odpovídá přesně opačnému konci jako vstupní signál, který vypadá jako Y = / X ve formě vzorce

(Lomítko před X označuje skutečnou inverzi. Obvykle se místo lomítka používá podtržítko, ačkoli takový zápis je docela přijatelný.).

Grafický symbol prvku NENÍ čtverec nebo obdélník, uvnitř kterého je číslo 1.

Obrázek 3. Střídač

V tomto případě to znamená, že tento prvek je měnič. Má pouze jeden vstup X a výstup Y. Výstupní vedení začíná malým kroužkem, což ve skutečnosti znamená, že tento prvek je invertor.

Jak již bylo řečeno, střídač je nejsložitější digitální obvody.A to je potvrzeno jeho kontaktním schématem: pokud dříve stačilo pouze tlačítko, nyní k nim bylo přidáno relé. Zatímco není stisknuto tlačítko SB1 (logická nula na vstupu), relé K1 je bez napájení a jeho normálně uzavřené kontakty zapnou žárovku HL1, což odpovídá logické jednotce na výstupu.

Pokud stisknete tlačítko (na vstup přivedete logickou jednotku), relé se zapne, kontakty K1.1 se rozepnou, světlo zhasne, což odpovídá logické nule na výstupu. Výše uvedené je potvrzeno časovým diagramem na obrázku 3c a tabulkou pravdy na obrázku 3d.

Logický prvek A NE

Brána AND NENÍ kombinací AND brány a NOT brány.

Obrázek 4. Logický prvek A NE

Symbol & (logický AND) je proto přítomen na jeho grafickém symbolu a výstupní čára začíná kruhem označujícím přítomnost střídače v kompozici.

Kontaktní analog logického prvku je zobrazen na obrázku 4b, a pokud se podíváte zblízka, je velmi podobný analogu střídače znázorněného na obrázku 3b: žárovka je také zapnuta prostřednictvím normálně uzavřených kontaktů relé K1. Ve skutečnosti je to střídač. Relé je ovládáno tlačítky SB1 a SB2, které odpovídají vstupům X1 a X2 brány AND. Schéma ukazuje, že relé bude sepnuto pouze po stisknutí obou tlačítek: v tomto případě tlačítka vykonají funkci & (logická AND). V tomto případě kontrolka na výstupu zhasne, což odpovídá stavu logické nuly.

Pokud nejsou stisknuta obě tlačítka nebo alespoň jedno z nich, relé je deaktivováno a svítí světlo na výstupu obvodu, což odpovídá úrovni logické jednotky.

Z výše uvedeného můžeme vyvodit následující závěry:

Zaprvé, pokud má alespoň jeden vstup logickou nulu, bude výstupem logická jednotka. Stejný stav na výstupu bude v případě, že nuly jsou přítomny na obou vstupech najednou. Toto je velmi cenná vlastnost prvků AND-NOT: pokud spojíte oba vstupy, pak se prvek AND-NOT stane invertorem - jednoduše vykonává funkci NOT. Tato vlastnost umožňuje nevkládat speciální čip obsahující šest střídačů najednou, pokud je vyžadován pouze jeden nebo dva.

Za druhé, nula na výstupu může být získána pouze tehdy, pokud je "shromažďována" na všech vstupech jednoty. V tomto případě by bylo vhodné pojmenovat uvažovaný logický prvek 2I-NOT. Dva říkají, že tento prvek je dva vstupy. Téměř ve všech sériích mikroobvodů jsou také 3, 4 a 8 vstupních prvků. Navíc každá z nich má jen jednu cestu ven. Prvek 2I-NOT se však v mnoha sériích digitálních mikroobvodů považuje za základní prvek.

S různými možnostmi připojení vstupů můžete získat další skvělou vlastnost. Například spojením tří vstupů osmivstupního prvku 8I-NOT dohromady získáme prvek 6I-NOT. A pokud spojíte všech 8 vstupů dohromady, získáte pouze střídač, jak je uvedeno výše.

Tím se dokončí seznámení s logickými prvky. V další části článku se budeme zabývat nejjednoduššími experimenty s mikroobvody, vnitřní strukturou mikroobvodů, jednoduchými zařízeními, jako jsou generátory impulzů.

Boris Aladyshkin

Pokračování článku: Logické čipy. Část 3